Для чего нужны низкочастотные динамики

Что такое НЧ динамик?

Низкочастотные динамики являются важным компонентом многополосных акустических систем. Эти излучатели не только должны уверенно отрабатывать сам басовый диапазон, но и значительную область СЧ в двухполосных конструкциях.

НЧ-динамики (или, как их иногда еще называют, вуферы), как правило, имеют значительный диаметр и мощную магнитную систему. Это связано с тем, что им необходимо прокачивать значительный объем воздуха для создания убедительного звукового давления в комнате прослушивания и увеличению эффекта присутствия при просмотре фильмов или прослушивании музыки.

На низких частотах диффузор динамика должен работать как поршень.

Рис. 1. Пример работы НЧ динамика

Низкочастотные динамики, по большей части, имеют классическую конструкцию.

Между тем обычный конический бумажный диффузор с внешним диаметром 250 мм имеет поршневой характер движения лишь на частотах не более 300–400 Гц. Поэтому ведущие фирмы мира буквально изощряются в применении новых материалов для диффузоров — пластмассы, литых конусов из прочной бумаги с металлизированным покрытием, графитовых материалов, бумаги, армированной слюдой, и т. д.

Так, НЧ динамик Scan-Speak 23W/4557T00 оснащен особо жестким диффузором из анодированного алюминия серебристого цвета, обеспечивающим работу динамика в поршневом режиме в широком диапазоне частот.

Рис. 2. НЧ динамик Scan-Speak 23W/4557T00 с диффузором из анодированного алюминия.

Или НЧ динамик SEAS X2-08 EXOTIC W8 имеет бумажный диффузор конус с волокнами папируса для оптимизации жесткости и демпфирования.

Рис. 3. НЧ динамик SEAS X2-08 EXOTIC W8

Фирма Fisher (США) делает диффузоры осаждением никеля на пористую основу. В своем новом поколении музыкальных центров, фирма Pioneer применила истинные поршневые динамики. Ход диффузора в них достигает ±20 мм.

Акустические системы с такими динамиками получили название Power Bass и при малом диаметре диффузора радуют мощными и густыми басами.

Также динамики могут отличаться формой самого диффузора.

Например, динамик AAD C-10/Q-1000 имеет плоский диффузор, что делает его очень похожим на поршень двигателя.

Рис. 4. НЧ Динамик AAD C-10/Q-1000

Рис. 5. НЧ Динамик Fostex FW 168 HR Paper

Многие фирмы уделяют большое внимание увеличению хода диффузора — это единственная возможность увеличить отдачу на низких частотах при одновременном уменьшении диаметра диффузора. Широко практикуется глубокое гофрирование диффузора НЧ-динамиков.

При этом чем ниже частота, тем больше эффективный диаметр диффузора, перемещающего воздушную массу. Такой диффузор тоже нельзя сжать в гармошку — он, по существу, уже подобен ей, так что деформация диффузора при ударных сигналах возбуждения оказывается достаточно предсказуемой и не опасной.

Тщательный расчет на компьютерах профиля гармошки исключает ее повреждение и позволяет получить достаточно равномерную АЧХ. Динамики с такими диффузорами выпускают многие фирмы, например, Fostex, Morel, Peerless, ScanSpeak и многие другие.

Одной из самых трудно решаемых (и до конца нерешенных) проблем является подавление резонанса механической системы динамика. Подвешенный диффузор динамика (обычно подвеска делается в двух местах — у вершины и у основания конуса диффузора) ведет себя как колебательная механическая система с довольно малым коэффициентом затухания.

Это можно почувствовать, слегка стукнув пальцем по диффузору, вы услышите (и даже увидите, если динамик мощный) колебания диффузора, затухающие довольно медленно.

Коэффициент затухания (и обратная ему величина — добротность резонансной системы Qts) является мерой затухания колебаний: чем меньше коэффициент затухания и выше добротность, тем дольше звучит динамик при импульсном воздействии на диффузор.

Заметим, что добротность можно характеризовать числом периодов затухающих колебаний при уменьшении их амплитуды в е-раз (е — основание натурального логарифма, е = 2,718. ). Даже у хорошо сконструированного НЧ-динамика добротность нередко достигает нескольких единиц, т. е. в ответ на ударное возмущение динамик ответит несколькими полными циклами колебаний с резонансной частотой.

Плохо сконструированный динамик дает десятки циклов затухающих колебаний, прежде чем переходный процесс кончается.

Низкочастотные динамики должны иметь прочный диффузор с мягкой подвеской.

Это достигается применением специальных материалов для гофрированной диафрагмы и центрирующей шайбы. Таким образом, обеспечивается снижение резонансной частоты до 25–50 Гц, иногда и ниже. Ниже резонансной частоты отдача динамика резко падает и его применение становится малоэффективным.

Резонанс динамика приводит к двум неприятностям.

При воспроизведении ударных звуков (например, выстрела, взрыва или удара по барабану) резонансные колебания диффузора НЧ динамика приводят к появлению дополнительных колебаний диффузора и, соответственно, к появлению дополнительных звуков, воспринимаемых как сильные искажения («бубнение», «хрип»).

Кроме того, при воспроизведении гармонических сигналов резко возрастает отдача динамика на частотах, близких к резонансной, а на более низких частотах резко усиливается спад АЧХ динамика. Вблизи резонансной частоты амплитуда колебаний диффузора резко усиливается (примерно в Q раз) и это может создать большие нелинейные искажения из-за неравномерного магнитного поля в зазоре магнитной системы динамика.

Для уменьшения влияния резонанса используют специальные материалы для подвески гофрированной диафрагмы и центрирующей шайбы — бумагу, пористую резину, спрессованный поролон и т. д. Это уменьшает упругость системы и понижает частоту резонанса.

Правильный выбор материалов может заметно уменьшить добротность механической системы динамика.

Небольшой подъем АЧХ из-за резонанса на низших частотах звукового диапазона может даже выровнять результирующую АЧХ — однако это возможно лишь при соответствующем акустическом оформлении динамика.

Типичным средством подавления резонанса является применение усилителей с близким к нулю (а иногда даже и отрицательным) выходным сопротивлением. Динамик с усилителем представляют собой колебательную электромеханическую систему, для которой полное сопротивление (усилителя и катушки динамика) выполняет роль демпфера.

Такое электрическое демпфирование эффективно дополняет другие (сугубо механические) методы демпфирования. Больших успехов в разработке обычных динамиков уже давно добились немецкие и некоторые другие европейские фирмы.

Еще с послевоенных лет динамики фирм Grundig и Philips славились своим мощным и в то же время мягким и сочным звуком. И ныне эти фирмы выпускают обширнейшую номенклатуру динамиков, хотя и испытывают весьма серьезную конкуренцию со стороны американских и японских фирм.

Однако динамики столь высокого качества безумно дороги и так и не нашли широкого применения. Тем не менее можно лишь позавидовать нынешним радиолюбителям — конструкторам электроакустических устройств, ибо излучатели (в том числе динамические!) ведущих фирм мира ныне куда более доступны, чем раньше. Обширную номенклатуру динамиков выпускают, помимо тех что указали выше, еще фирмы AAD, SEAS, Vifa, Visaton и другие, чьи динамики можно купить отдельными единицами, без корпусов.

Но самым больным вопросом при использовании динамиков является устранение принципиально присущего динамикам явления акустического короткого замыкания.

Когда диффузор динамика выталкивается из магнитного зазора, он создает впереди себя избыточное давление воздуха, а сзади — разрежение.

Естественно, что уплотненный воздух тут же переходит в рядом расположенную область разрежения, что резко уменьшает интенсивность излучаемых волн на низких частотах. Чем ниже частота колебаний (и больше длина их волны), тем сильнее проявляется этот эффект.

Он перестает быть заметным на высоких частотах, когда длина волны звуковых колебаний становится меньше размеров диффузора.

Мы вернемся к обсуждению этого вопроса при описании акустических колонок, а пока лишь отметим, что описанные факторы практически исключают применение динамиков самих по себе, без соответствующего акустического оформления (например, ящика или корпуса аппарата, в который они устанавливаются).

При выборе «басовиков» для акустической системы необходимо учитывать не только их геометрические размеры, но и электрические параметры Тиля-Смолла – сопротивление и нижнюю резонансную частоту.

Последнее значение обязательно учитывается при конструировании акустической системы, так как связано с ее внутренним объемом и настройкой фазоинвертора.

Также обязательно стоить обратить на акустическое оформление. Используя бандапасс 4- или 6-порядка, можно значительно повысить звуковое давление.

Источник

Что такое низкочастотные динамики, динамики среднего уровня и высокочастотные динамики?

Низкочастотные динамики, динамики среднего уровня и высокочастотные динамики — все типы динамиков. Чаще всего все три типа динамиков монтируются в одном корпусе, но вы также можете найти каждый в отдельных корпусах. Давайте подробнее рассмотрим, как они работают.

Громкоговорители — это тип электрического преобразователя, который преобразует электрический звуковой сигнал в звук. Наиболее широко используемый тип динамиков сегодня — динамический динамик — впервые был построен в 1920-х годах. Он использует магнитное поле, чтобы очень быстро перемещать гибкую диафрагму вперед и назад, создавая звуковые волны, которые несут эти приятные мелодии прямо в наши уши. Эта диафрагма обычно бывает тканевой, пластиковой или бумажной и чаще всего имеет коническую форму, хотя некоторые производители динамиков используют разные конструкции.

Мы классифицируем колонки по диапазону производимого ими звука, измеряемого в Гц. Некоторые громкоговорители считаются широкодиапазонными, поскольку они пытаются выставить все частоты, которые им посылают. Проблема в том, что размер этих широкополосных динамиков обычно ограничивает то, насколько хорошо они звучат. Маленькие широкополосные динамики просто не могут получить достаточного количества этого баса, а большие, как правило, не очень хорошо работают с более высокими частотами.

Другие колонки более специализированы для разных диапазонов. Низкочастотные динамики управляют нижним диапазоном, средние динамики управляют средним диапазоном, а высокочастотные динамики — самым высоким. Соедините эти отдельные динамики, и вы получите более полное и точное воспроизведение звука, чем при использовании одного широкополосного динамика.

Басовые

Сабвуферы предназначены для работы с более низким диапазоном частот (звуковых волн) для акустической системы, и есть несколько различных типов, в зависимости от ваших потребностей. Хотя все они построены очень схожим образом, между каждым типом есть определенные различия:

В большинстве пользовательских акустических систем вы, вероятно, найдете стандартный низкочастотный динамик в составе основных динамиков и, возможно, дополнительный, но отдельный сабвуфер.

Среднечастотные колонки

Среднечастотные громкоговорители предназначены для обработки «среднего» диапазона спектра в диапазоне от 500 Гц до 4 кГц. Это, вероятно, самый важный диапазон частот из-за большинства слышимых звуков, таких как музыкальные инструменты и человеческий голос , производимых здесь.

Поскольку человеческое ухо наиболее чувствительно к частоте среднего диапазона, драйвер может оставаться на более низкой мощности, в то же время обеспечивая хороший звук с точки зрения качества и громкости. Поскольку среднечастотные динамики не способны воспроизводить крайне низкий или высокий спектр, они часто звучат тускло или ровно и нуждаются в поддержке низкочастотного динамика или твитера для получения полного уровня звука.

Вы найдете громкоговорители среднего уровня, используемые как часть громкоговорителя, который также включает в себя низкочастотный динамик и твитер, и они также используются в центральных громкоговорителях, часто используемых с системами объемного звучания.

Высокочастотные

На верхнем уровне звукового спектра у нас есть твитеры, которые получили свое название от высоких твитов птиц. Высокочастотные динамики обычно охватывают диапазон от 2 кГц до 20 кГц, хотя некоторые специальные высокочастотные динамики могут достигать 100 кГц.

Традиционно твитеры были спроектированы почти так же, как и другие динамики, но меньше по размеру. Проблема в том, что звук на этой частоте довольно направленный, а это значит, что максимумы вашей музыки звучат лучше всего, когда твитеры направлены прямо на вас. Современные твиттеры начинают адаптировать купольную версию, в которой используется мягкая купольная диафрагма из полиэфирной пленки, шелка или полиэфирной ткани, пропитанной полимерной смолой. Купольные твитеры способны к более широкой зоне распространения звука.

_{Источник изображения: Ksander / Shutterstock}

Источник

Акустические системы: типы динамиков (часть 3)

В прошлый раз мы разобрались, по крайней мере, в общих чертах, в конструкции динамика. Основные ее элементы — общие для всех типов динамиков, но главное, как всегда, кроется в различиях. О них и стоит рассказать подробнее.

Широкополосник

Частотный диапазон, воспринимаемый человеческим слухом, как уже говорилось, находится в пределах приблизительно от 20 Гц до 20 кГц. Логичнее всего было бы иметь такой динамик, который способен воспроизвести его полностью. И такие динамики есть. Они называются широкополосными.

Вопрос в том, насколько качественно они способны работать в крайних значениях частот этого диапазона. Дело в том, что для эффективного воспроизведения низких частот диффузор классического динамика должен иметь достаточно большие размеры. Например, для частоты 40 Гц его диаметр должен быть около 30 см. Это достаточно просто реализовать.

Широкополосный динамик ScanSpeak 10F/4424G00

Но на высоких частотах такой диффузор попросту не сможет «успевать» передавать колебания всей своей поверхностью. Именно поэтому чаще всего широкополосные динамики являются результатом компромисса.

Для качественного воспроизведения верхней части частотного диапазона в центр диффузора широкополосника зачастую вклеивается дополнительный высокочастотный диффузор — «рупорок» (конус-визер, «дудка»), который способен воспроизводить «быстрые» колебания в то время, как основной, большой диффузор работает гораздо медленнее.

Применяемые в аудиофильских системах широкополосники — предмет серьезных инженерных разработок, граничащих с искусством. Здесь используются материалы с максимально возможными параметрами, ноу-хау, позволяющие все-таки получить полнодиапазонный драйвер.

Широкополосный динамик Lii Audio 2PCS Fast-10

Наиболее проблемным для широкополосного динамика является воспроизведение крайних частот слышимого диапазона. Если широкополосник способен работать в диапазоне 60–16000 Гц с неравномерностью ± 10 дБ — это уже неплохой результат.

При этом в связи с простотой конструкции и отсутствием фильтров (кроссоверов) акустическая система с широкополосником способна демонстрировать высокую чувствительность — от 90–92 дБ и выше. Это делает колонки с широкополосными динамиками особо востребованными среди любителей ламповых усилителей, имеющих, как правило, ограниченную мощность.

В связи с этим голосовые катушки таких широкополосников обладают повышенным сопротивлением. Общепринятые значения для всех остальных динамиков, предназначенных для установки в акустические системы — от 2 до 8 Ом.

Кроме того, именно широкополосный динамик максимально приближен по своим параметрам к точечному источнику звука — идеальному акустическому объекту с точки зрения его локализации. Направление на источник в таком случае определяется слушателем максимально точно. Такой излучатель позволяет создать самую точную стереосцену (звуковую сцену), поскольку источник звука в стереоканале — всего один и он имеет минимальную площадь.

С другой стороны, простейшая колонка с широкополосником — самое дешевое решение, но говорить о полнодиапазонном воспроизведении в этом случае не приходится.

Твитер

Понятно, что, если трудно воспроизвести весь диапазон одним излучателем, есть смысл разделить этот диапазон на несколько частот, в каждой из которых будет работать отдельный динамик. За верхние частоты в этом случае отвечает твитер (пищалка).

Этот динамик должен иметь диффузор (мембрану) небольшой площади, но достаточно жесткий и максимально легкий, ведь полоса излучения твитера, в большинстве случаев, не ниже 1,5 кГц. Среди динамиков наибольшее распространение получил купольный твитер. В нем центральное тело диффузора или элемент, который в полноразмерном динамике называется пылезащитным колпачком, занимает практически всю площадь излучающей поверхности.

Твитер колонки Apple HomePod

Мембрану купольного твитера чаще всего делают из ткани с пропиткой, повышающей ее жесткость. Применяют и более жесткие материалы, лучшим из которых по праву считается бериллий.

Важный параметр твитера — это частота его собственного резонанса. Разработчики стремятся к тому, чтобы она находилась ниже полосы его воспроизведения. В этом случае пищалка звучит максимально точно. Дело в том, что на частотах, близких к резонансу, комплекс усилитель-динамик начинает работать некорректно, «идет в разнос», и система становится плохо управляемой.

Результат — искажения, причем в той частотной области, в которой наш слух к ним особенно чувствителен. Выход оказался прост: кроссовер — устройство, ограничивающее частотный диапазон работы твитера, «обрезает» частоты его собственного резонанса, расположенные ниже рабочего диапазона твитера, который начинается, как правило, от 2–3 кГц.

Твитер с алмазной мембраной Seas Excel E0100-04

Второе требование к твитеру — повышенная верхняя граничная частота воспроизведения. В оптимальном случае она должна превосходить верхний частотный порог слышимого диапазона, т.е. быть выше 20 кГц. Казалось бы, зачем выше, если на этих частотах мы уже не слышим ничего?

Расширенный вверх предел частотного диапазона позволяет твитеру воспроизводить так называемые верхние гармоники, формируя максимально точное звучание высоких частот. До какого предела должен иметь возможность работать твитер — а зачастую высказываются мнения о величинах в 40, а то и в 60 кГц — вопрос, являющийся предметом дискуссий.

Названные два требования к конструкции твитера являются взаимоисключающими. Для понижения резонанса необходимо делать мембрану большего размера и веса, а для повышения верхней границы АЧХ — наоборот. Выход — максимальное соотношение жесткости и массы мембраны твитера, за которое и идет технологическая борьба.

Среднечастотный динамик

Динамик, который играет средние частоты (его еще иногда называют мидренч или, правильнее, мидрейндж — этот термин, от английского midrange speaker, пришел из автозвука), обычно наиболее близок по конструкции к классическому динамику. Важно, что этот динамик воспроизводит именно тот диапазон частот, в котором располагается человеческий голос и на котором наш слух особенно чувствителен к искажениям.

Пример поведения динамика, замеры получены лазерным интерферометром

Ахиллесовой пятой среднечастотника является эффект появления специфических деформаций диффузора — так называемой изгибной волны, когда периферическая область диффузора не успевает за движениями центральной зоны, где крепится голосовая катушка. То есть разные зоны диффузора (кстати, расположенные, как правило, пятнами, а не концентрически, как следовало бы из логики процесса) колеблются не синфазно — одни участки отстают от других.

Звучание становится «рыхлым», неточным. Значит, диффузор должен быть максимально жестким. Если решать проблему в лоб — получим действительно жесткий диффузор, который будет весить так много, что не сможет звучать. Поэтому, как и в твитере, и в широкополоснике, в конструкции диффузора заложен сложнейший компромисс — между жесткостью и легкостью.

Среднечастотный драйвер Morel SCM 634 с карбоновым диффузором

Для колонок высокого класса конструкция диффузоров — важнейший момент. В экзотических вариантах среднечастотники (так же, как и твитеры, но гораздо реже) получают диффузор из бериллия. Но гораздо чаще в среднечастотниках можно видеть диффузоры из композитных материалов на базе углеволокна, стекловолокна, кевлара, древесного волокна или классической целлюлозы.

НЧ-драйвер

Низкочастотный динамик часто еще называют вуфером. Для практически любого класса акустических систем вуфер, естественно, является самым большим по площади излучателем. Для низкочастотника предпочтительным является полностью поршневой режим работы, когда диффузор движется возвратно-поступательно, как единое целое.

Здесь проблема решается еще более радикально, чем в случае со среднечастотным драйвером. Диффузор делают максимально жестким, даже за счет его утяжеления. Дело в том, что на низких частотах наш слух наименее чувствителен к искажениям. И в случае, когда для диффузора вуфера прежде всего важна амплитуда колебаний, ради жесткости идут на увеличение веса.

24-дюймовый басовый динамик в сабвуфере Pro Audio Technology

Масса подвижной системы многих крупных сабвуферных динамиков может достигать 200 г и более. Диффузоры в некоторых случаях получают пространственную конструкцию наподобие самолетного крыла из многослойного композита с заполнением внутренних полостей легкими ячеистыми или сотовыми структурами.

Для аудиофильских систем массу диффузора низкочастотного драйвера по-прежнему стараются минимизировать, поскольку натренированный слух не любит низкочастотных искажений, равно как и всех остальных.

Причем амплитуда колебаний у вуферов — самая большая среди всех перечисленных динамиков. Для этого они оснащаются так называемой длинноходовой (удлиненной) голосовой катушкой. Внешний подвес делается из резины. Все это позволяет диффузору иметь очень большую экскурсию — так называют смещение диффузора от центральной точки.

18-дюймовый басовый вуфер JBL

Особенно ярко «порода» низкочастотного динамика проявляется в драйверах, которые устанавливаются в сабвуферы. Это тяжелое, мощное устройство диаметром от 8 до 15 дюймов (наиболее часто применяемый в пользовательской АС диапазон размеров). Они имеют очень мощные магнитные системы и, в связи с этим, немалый общий вес. При этом в низкочастотных драйверах, работающих от мощных полупроводниковых усилителей, часто устанавливаются катушки минимального сопротивления — 2, а то и 1 Ом.

Коаксиальные драйверы

В двух- трехполосной колонке твитер, среднечастотник и низкочастотный динамик устанавливаются отдельно, то есть, они разнесены в пространстве. Это является серьезным недостатком. Наш слух, который легко определяет направление на источник звука, бывает обманут тем, что средние частоты и высокие частоты поступают практически из разных точек.

Направление на низкочастотный излучатель определить труднее, но тем не менее его удаленность также вносит свою лепту. В результате, такая геометрия колонки ухудшает восприятие стереообраза.

Строение коаксиального драйвера KEF UniQ

Широкополосный динамик, о котором написано выше, просто в силу физики процесса имеет ограничения как по максимальной мощности, так и по частотному диапазону. Кроме того, для широкополосного динамика неизбежна высокая неравномерность АЧХ (выше 10–20 дБ), которую практически невозможно, да и нет смысла компенсировать электроникой либо акустическим оформлением.

Выходом из этой ситуации стал коаксиальный драйвер. На первый взгляд, такой совмещенный динамик выглядит достаточно просто. В двухполосном варианте твитер расположен в центре низкочастотного динамика — традиционные размеры пищалок вполне для этого подходят. Но с инженерной точки зрения такая конфигурация резко затрудняет разработку (расчет) и изготовление подобной системы.

Коаксиальный динамик TAD CST

И это отражается на ее стоимости. Есть варианты, которые позволяют упростить конструкцию: например, размещение твитера перед низкочастотным диффузором на специальном креплении. И все-таки именно «полновесные» коаксиальные системы создают наиболее точный стереоэффект. Поэтому во все времена разные разработчики и компании выпускали коаксиальные драйверы, которые присутствовали в составе их топовых систем.

Специализированные динамики

Воспроизведение звука в условиях, отличных от комнатных, требует применения динамиков, учитывающих эту специфику в свей конструкции. Динамики ландшафтного, шахтного, морского применения должны выдерживать повышенное содержание пыли, способной проникать в магнитный зазор, длительное солнечное излучение, повышенную влажность, воздействие морской соли и других негативных факторов. Для этого в конструкцию вносится серьезные изменения: выбираются материалы, защищаются уязвимые элементы.

Динамики наушников

Для наушников прежде всего пришлось разработать миниатюрные динамики: калибром от 6 до 12 мм для внутриканальных и до 50–60 мм максимум — для накладных моделей. В подавляющем большинстве случаев это широкополосные драйверы. Малый размер облегчает им задачу воспроизведения полного диапазона.

С другой стороны, производство осложняется именно минимальными размерами. Чаще всего диффузор такого динамика сделан из синтетического материала, хотя целлюлоза и другие натуральные волокнистые материалы тоже могут присутствовать. Ввиду требований компактности и низкого веса именно в наушниках наиболее часто используются неодимовые магниты, благодаря которым динамики могут демонстрировать высокую чувствительность — до 120 дБ и выше.

Динамик наушников Apple EarPods

Специфика применения требует, чтобы динамики наушников имели повышенное сопротивление. И если звуковые катушки динамиков акустических систем имеют сопротивление от 2 до 16 Ом (чаще всего от 4 до 8), то динамики наушников имеют сопротивление не ниже 16 Ом, а максимальное значение может достигать 600–800 Ом для профессиональных моделей.

В отдельных моделях наушников, даже внутриканальных, могут использоваться раздельные динамики для разных полос частот — но это редкий случай. Чаще встречается совместное применение излучателей разных типов — динамических и арматурных.

Другие материалы цикла «Акустические системы»:

Источник